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储能系统技术 储能系统 ★ 4.0

电场调控与RESURF-台面结构侧壁漏电流抑制实现高性能Ga₂O₃功率器件

Electric Field Management and Sidewall Leakage Current Suppression of RESURF-mesa for High-Performance Ga2O3 Power Devices

作者 Jiangbin Wan · Hengyu Wang · Haoyuan Cheng · Ce Wang · Chi Zhang · Kuang Sheng
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年8月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 β-Ga₂O₃整流器 RESURF - 台面结构 击穿电压 导通电阻 功率品质因数
语言:

中文摘要

本研究展示了具有低表面电场台面(RESURF - 台面)结构的高性能垂直β - Ga₂O₃整流器。这种RESURF - 台面设计采用非自对准蚀刻工艺形成深度为5μm的台面,利用5μm厚的SiO₂层和120nm的p型氧化镍(NiO),在氩氧流量比为20:1的条件下对侧壁进行封装。技术计算机辅助设计(TCAD)模拟证实,通过优化NiO厚度可降低表面电场。因此,采用120nm NiO的RESURF - 台面肖特基势垒二极管(SBD)的击穿电压(BV)为2600V,而RESURF - 台面异质结二极管(HJD)由于更强的异质界面,可承受超过3000V的反向电压。两种器件的比导通电阻(Rₒₙ,ₛₚ)均为4.1mΩ·cm²,RESURF - 台面SBD的功率品质因数(PFOM)为1.6GW/cm²,RESURF - 台面HJD的功率品质因数为2.2GW/cm²。这两种整流器的性能在已报道的多千伏Ga₂O₃ SBD和HJD中处于领先水平。此外,我们还研究了侧壁泄漏电流的来源,并开发了抑制该电流的方法,该方法在高温下同样有效。这些研究结果凸显了RESURF - 台面技术在推动多千伏Ga₂O₃器件应用方面的巨大潜力。

English Abstract

This work demonstrates high-performance vertical -Ga _ {2} O _ {3} rectifiers featuring a reduced-surface-field mesa (RESURF-mesa) structure. This RESURF-mesa design employs nonself-aligned etching to form a 5- m deep mesa, utilizing a 5- m-thick SiO _ {2} layer and 120-nm p-type nickel oxide (NiO) to encapsulate the sidewalls with an argon-to-oxygen flux ratio of 20:1. Technology computer-aided design (TCAD) simulations confirm a reduced surface electric field (E-field) with an optimized NiO thickness. Consequently, the RESURF-mesa Schottky barrier diode (SBD) with 120-nm NiO exhibits a breakdown voltage (BV) of 2600 V, while the RESURF-mesa heterojunction diode (HJD) sustains a reverse voltage exceeding 3000 V due to the stronger heterointerface. The specific on-resistance ( {R} _ {ON, {sp}} ) of both devices is 4.1 m cm ^ {2} , yielding the power figure of merit (PFOM) of 1.6 GW/cm ^ {2} for RESURF-mesa SBD and 2.2 GW/cm ^ {2} for RESURF-mesa HJD. The performance of both rectifiers is among the highest in reported multikilovolts Ga _ {2} O _ {3} SBDs and HJDs. Additionally, we have investigated the origin of sidewall leakage current and developed methods to suppress it, which is also effective at high temperatures. These findings underscore the significant potential of RESURF-mesa technology in advancing multikilovolt Ga _ {2} O _ {3} device applications.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于氧化镓(Ga₂O₃)的RESURF-mesa结构功率器件技术具有显著的战略价值。该研究实现了击穿电压超3000V、比导通电阻仅4.1mΩ·cm²的性能指标,功率品质因数达到2.2GW/cm²,代表了超宽禁带半导体功率器件的重要突破。

对于阳光电源的核心业务而言,这项技术的应用潜力主要体现在三个维度:首先,在光伏逆变器领域,氧化镓器件的高耐压特性可支撑1500V甚至更高电压等级系统的开发,配合其优异的导通特性,有望显著降低系统损耗,提升逆变器效率至98%以上。其次,在储能变流器(PCS)应用中,该技术可实现更高功率密度和更低开关损耗,这对于大规模储能系统的经济性至关重要。第三,器件展现的高温稳定性和侧壁漏电流抑制能力,对提升产品在严苛环境下的可靠性具有实质意义。

然而,从技术成熟度评估,氧化镓功率器件仍处于从实验室向产业化过渡的关键阶段。当前面临的挑战包括:衬底材料的规模化制备、器件制造工艺的良率控制、以及与现有SiC/GaN技术路线的成本竞争力。论文中采用的p型NiO异质结和精密的电场管理技术虽然性能优异,但工艺复杂度较高。

建议阳光电源密切跟踪该技术方向,可考虑通过产学研合作方式提前布局,特别关注3-5年后可能出现的产业化窗口期,为下一代超高压、超高效功率变换系统做好技术储备。